CO 2作為最主要的溫室氣體，引發(fā)了一系列的
環(huán)境問(wèn)題。多年來(lái)，關(guān)于如何減少CO 2的排放或增加CO 2吸收量以減輕其溫室效應(yīng)，科學(xué)家做出了大量的努力和研究。現(xiàn)在被認(rèn)為有效的CO 2捕集、封存方法，如海底封存、廢棄煤礦封存和油田封存等，都存在成本高、難操作和可能引起其它環(huán)境災(zāi)難的問(wèn)題，而生物法固定CO 2是地球上主要的有效固碳方式。與此同時(shí)，能源緊缺是全球性問(wèn)題，發(fā)展低碳排放的可再生能源和生物質(zhì)能源，是解決能源緊缺的重要出路。如果能用CO 2生產(chǎn)生物質(zhì)油，將其化害為利，一舉數(shù)得，何樂(lè)而不為？
針對(duì)這樣重大的課題，各國(guó)科技工作者開(kāi)展了多方面的研究。其中，利用微生物吸收固定CO 2，將無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化為氫、高級(jí)不飽和烷烴和油脂等有用的物質(zhì)能源，憑其眾多優(yōu)勢(shì)成為實(shí)現(xiàn)該雙重目標(biāo)的一條極具發(fā)展?jié)摿Φ挠行緩健１疚慕榻B了國(guó)內(nèi)外通過(guò)微生物固碳制造新物質(zhì)能源技術(shù)的最新研究動(dòng)向。
1微生物固碳制造新物質(zhì)能源技術(shù)的特性
微生物固定CO 2的方式有三種：異養(yǎng)固定、自養(yǎng)固定與兼養(yǎng)固定。異養(yǎng)微生物以有機(jī)化合物作為碳源和能源，在自身代謝過(guò)程中固定少量的CO 2。自養(yǎng)微生物利用光能或無(wú)機(jī)物氧化時(shí)產(chǎn)生的化學(xué)能同化CO 2，構(gòu)成細(xì)胞物質(zhì)。兼養(yǎng)固定是微生物在利用
光能吸收轉(zhuǎn)化CO 2的同時(shí)，以有機(jī)碳作為補(bǔ)充碳源和能源的聯(lián)合固定方式。
這兩種微生物固定CO 2有原則上的區(qū)別：異養(yǎng)微生物固定CO 2是把CO 2固定在受體分子上，該受體不是由CO 2合成的；自養(yǎng)微生物固定CO 2，受體是由CO 2合成的，且過(guò)程可循環(huán)。自養(yǎng)微生物固定CO 2的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)異養(yǎng)微生物。因此目前世界上的相關(guān)研究都是圍繞自養(yǎng)微生物進(jìn)行。自養(yǎng)微生物主要分為兩類：光能自養(yǎng)型微生物和化能自養(yǎng)型微生物。前者以光為能源、后者以H 2，H 2S ，S 2O 32-，S ，NH 4+，
NO 2-，F(xiàn)e 2+等還原性化合物為能源。
微生物固碳制造新物質(zhì)能源實(shí)際上是自養(yǎng)微生物通過(guò)攝取光能或化能吸收轉(zhuǎn)化CO 2從而生成可以為我們所加以利用的新的物質(zhì)能源，變廢為寶，從而構(gòu)成一條制取可再生資源的良性循環(huán)路線。
2國(guó)外微生物固碳及制造新物質(zhì)能源技術(shù)研究動(dòng)向
2007年11月國(guó)際能源公司宣布開(kāi)發(fā)以微藻為
原料生產(chǎn)可再生柴油和噴氣燃料；2007年12月殼牌公司宣布與美國(guó)從事生物燃料業(yè)務(wù)的HR
Biopetroleum 公司組建Cellena 合資公司，投資70
億美元開(kāi)展微藻生物柴油技術(shù)的研究，并在夏威夷建立一個(gè)試驗(yàn)工廠，通過(guò)利用海洋藻類的植物油生
產(chǎn)生物柴油，美國(guó)第二大石油公司Chevron 于2007年底宣布與美國(guó)能源部可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)協(xié)作開(kāi)發(fā)微藻生物柴油技術(shù)，用作噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)等
收稿日期：2010-08-02；作者簡(jiǎn)介：任慶生（1939-），男，電話85961969。
微生物固碳制造新物質(zhì)能源技術(shù)研究進(jìn)展
任慶生，龍慧敏
（西南化工研究設(shè)計(jì)院，四川成都610225）
摘要:CO 2作為最主要的溫室氣體，引發(fā)了一系列的環(huán)境問(wèn)題。現(xiàn)在認(rèn)為生物法固定CO 2是地球上主要的有效固碳方式。與此同時(shí)，能源緊缺成為全球性問(wèn)題，發(fā)展低碳排放的可再生能源和生物質(zhì)能源，是解決能源緊缺的重要出路。利用微生物吸收固定CO 2，將無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化為氫、高級(jí)不飽和烷烴和油脂等有用的物質(zhì)能源，憑其眾多優(yōu)勢(shì)成為實(shí)現(xiàn)以上雙重目標(biāo)的一條極具發(fā)展?jié)摿Φ挠行緩健１疚慕榻B了國(guó)內(nèi)外通過(guò)微生物固碳制造新物質(zhì)能源技術(shù)的最新研究動(dòng)向。
關(guān)鍵詞：微生物；新物質(zhì)能源;CO 2；固碳中圖分類號(hào)：TQ 03
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1001-9219(2011）02-64-06
交通工具的燃油。2008年3月10日PetroSum公司宣布，它在得克薩斯州的微藻養(yǎng)殖場(chǎng)于2008年4月1日投入商業(yè)化運(yùn)作。這是該公司初期的商業(yè)化微藻制生物燃料裝置投產(chǎn)。現(xiàn)有的微藻養(yǎng)殖場(chǎng)的海水槽占地445萬(wàn)m2。
2008年6月在波士頓舉行的108屆美國(guó)微生物學(xué)會(huì)大會(huì)上，許多報(bào)告是關(guān)于用微生物生產(chǎn)生物能源產(chǎn)品的新方法，包括將CO2直接轉(zhuǎn)化為乙醇、生物柴油的生產(chǎn)、在反應(yīng)器中使用微生物生產(chǎn)氫氣和只使用太陽(yáng)光與水生產(chǎn)氫氣等。Craig Venter提出的振奮人心的思路是，開(kāi)發(fā)一種可直接將燃煤工廠排放的CO2轉(zhuǎn)化為甲醇的工程菌株。他們正在實(shí)驗(yàn)室選育這樣的細(xì)菌。
美國(guó)國(guó)防部于2008年底宣布投入2000萬(wàn)美元基金進(jìn)行微藻生物柴油研究工作，主要目的在于在2010年前證實(shí)并使基于海藻的生物質(zhì)燃料能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化，成為JP-8噴氣燃料的替代品。該項(xiàng)目由遍布美國(guó)的各機(jī)構(gòu)共同實(shí)施。包括加州理工大學(xué)圣地亞哥分校的Scripps海洋研究所、夏威夷生物能源所和北達(dá)科他大學(xué)能源環(huán)境研究中心等。華盛頓州立大學(xué)陳樹(shù)林教授與波音公司合作，研究利用微藻開(kāi)發(fā)戰(zhàn)斗機(jī)用油[1]。
加州大學(xué)(UCLA)亨利薩繆里(Henry Samueli)工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的科學(xué)家通過(guò)基因改造藍(lán)藻(cyanobacterium)，使其能夠消耗CO2而產(chǎn)出液體燃料異丁醇。反應(yīng)的動(dòng)力直接來(lái)源于光合作用中的
太陽(yáng)光。該項(xiàng)目已經(jīng)得到美國(guó)能源部支持，研究成果已發(fā)表在2009年12月9日出版的“Nature Biotechnology”雜志上[2]。
美國(guó)馬薩諸塞州一家公司發(fā)明了利用藻類將CO2轉(zhuǎn)化為油脂的技術(shù)。據(jù)英國(guó)《新科學(xué)家》雜志報(bào)道，該公司用的核心裝置是一些裝滿水的塑料容器，水中有大量綠色藻類。來(lái)自發(fā)電廠的廢氣輸入容器，藻類吸收廢氣中的CO2，利用陽(yáng)光和水進(jìn)行光合作用，生成糖類。糖類隨后經(jīng)新陳代謝轉(zhuǎn)變?yōu)榈鞍踪|(zhì)和脂肪。隨著藻類繁殖，容器內(nèi)油脂越來(lái)越多。將這些油脂提取出來(lái)，利用現(xiàn)有技術(shù)，就可制成生物柴油和乙醇。該公司對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了小規(guī)模試驗(yàn)，成功地提取了幾加侖藻類油脂(1加侖合3.785L)。該公司計(jì)劃2009年在亞利桑那州一座發(fā)電站附近建設(shè)一家“藻類農(nóng)場(chǎng)”。公司負(fù)責(zé)人說(shuō)，如果有足夠藻類來(lái)處理這座1000kW發(fā)電廠的全部廢氣，每年可生產(chǎn)1.5億L生物柴油和1.9億L乙醇。據(jù)估計(jì)，與其它生產(chǎn)生物燃料的方法相比，“藻類農(nóng)場(chǎng)”所用的資源較少，不需占用可耕地來(lái)種植農(nóng)作物，也不用淡水。但是，這種技術(shù)是否經(jīng)濟(jì)可行，還需大規(guī)模試驗(yàn)驗(yàn)證[3]。
道化學(xué)(Dow Chemical)公司及Algeno生物燃料(Algeno Biofuel)公司2009年6月29日聯(lián)合宣布，兩家公司將共同修建一個(gè)實(shí)驗(yàn)廠，計(jì)劃在實(shí)驗(yàn)廠內(nèi)利用水藻將CO2轉(zhuǎn)化成生物柴油乙醇。兩公司稱，由CO2轉(zhuǎn)化成的乙醇可作為燃料出售。道化學(xué)公司的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是用它替代天然氣，作為生產(chǎn)塑料的原料。Algeno生物燃料公司首席執(zhí)行官鮑爾·伍茲說(shuō)，轉(zhuǎn)化過(guò)程還會(huì)產(chǎn)生氧氣，可用于火電廠助煤充分燃燒，而火電廠產(chǎn)生的CO2又能被水藻利用。這樣就形成一個(gè)良性循環(huán)。伍茲說(shuō)：“我們?yōu)榛痣姀S提供氧氣，
他們?yōu)槲覀兲峁〤O2，雙方合作得到的產(chǎn)物是十分便宜的乙醇”。伍茲稱，轉(zhuǎn)化制得的乙醇價(jià)格為1美元/加侖。Algeno公司在生物反應(yīng)器中培養(yǎng)水藻，反應(yīng)器內(nèi)盛滿海水，并蓋上塑料薄膜，研究人員往海水中注入一定量CO2，使其達(dá)到飽和狀態(tài)，以加快水藻生長(zhǎng)。道化學(xué)公司則為實(shí)驗(yàn)提供所需材料[4]。
美國(guó)Joule生物技術(shù)公司2009年11月10日宣布，已開(kāi)發(fā)出太陽(yáng)能制生物柴油工藝。該公司開(kāi)發(fā)可再生燃料，通過(guò)工程微生物，以太陽(yáng)能為推動(dòng)力，直接將CO2轉(zhuǎn)化為烴類。該公司采用Solar Converter T系統(tǒng)，利用專有的定向微生物，結(jié)合現(xiàn)代工藝設(shè)計(jì)，消耗廢棄的CO2。現(xiàn)技術(shù)平臺(tái)已搭好，可高產(chǎn)率將CO2轉(zhuǎn)化成乙醇。預(yù)計(jì)2010年初進(jìn)入中試開(kāi)發(fā)階段。直接生產(chǎn)的烴類性能并不亞于傳統(tǒng)柴油燃料，而無(wú)需采用原材料或復(fù)雜的煉制工藝。公司總裁和CEO Bill Sims表示，已達(dá)到的研發(fā)水平標(biāo)志著生產(chǎn)可再生燃料在高產(chǎn)量和競(jìng)爭(zhēng)成本方面，已邁出關(guān)鍵的一步。公司將加快直接替代石油基柴油的開(kāi)發(fā)，利用現(xiàn)有的貯存和分配方法，實(shí)現(xiàn)高凈產(chǎn)能平衡，而不消耗天然資源。所采用的方法可避免多步法纖維素或海藻生物質(zhì)生產(chǎn)方法出現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境問(wèn)題[5]。
美國(guó)密蘇里州的研究人員正研究如何在廢棄的礦井中培育水藻用來(lái)生產(chǎn)生物燃料。廢棄礦井屬于典型褐地，它的再利用將有很大的環(huán)境意義。水藻因其易種植，它僅需陽(yáng)光和水就能把CO2轉(zhuǎn)化成燃料。現(xiàn)在一些科學(xué)家甚至開(kāi)始認(rèn)為陽(yáng)光也是可有
可無(wú)的。密蘇里大學(xué)理工學(xué)院的科學(xué)家使用發(fā)光二級(jí)管在廢棄礦井中培育水藻。課題組的大衛(wèi)·薩默斯
說(shuō)：“每次我們提及礦井培養(yǎng)水藻時(shí)，總會(huì)有人說(shuō)‘可是礦井沒(méi)有陽(yáng)光’。但我認(rèn)為，那并不是不利條件。因?yàn)殡m然水藻產(chǎn)油需要陽(yáng)光，但當(dāng)水藻只吸收光譜中的紅光和藍(lán)光時(shí)，效率會(huì)更高，而且它需要一定時(shí)間在黑暗中處理所吸收的光子。正因?yàn)槿绱耍覀兿虻V井中安裝了發(fā)光二極管。”經(jīng)過(guò)調(diào)整，發(fā)光二極管可以只放射水藻需要的光頻。同時(shí)，它實(shí)現(xiàn)了人工設(shè)置脈沖，將頻率降至1s僅數(shù)次，給水藻充分時(shí)間吸收并在黑暗中處理光子，使能源利用率達(dá)到最高，減少能源浪費(fèi)。實(shí)驗(yàn)原理是只將水藻‘休息’頻率從每次數(shù)小時(shí)降到了每次幾毫秒。使用發(fā)光二極管培育水藻已有幾年歷史。一些剛剛起步的公司已經(jīng)利用該技術(shù)賺錢。加州原始石油公司是其中之一。公司的首席執(zhí)行官說(shuō)：“我們選擇發(fā)光二極管是因?yàn)樗屎芨摺薄２贿^(guò)薩默斯更進(jìn)一步。他使用光生物反應(yīng)器作為地下廢棄礦井中水藻培養(yǎng)容器。薩默斯解釋說(shuō)，使用廢棄礦井培養(yǎng)水藻可以解決一些室外開(kāi)放水域培養(yǎng)難以解決的問(wèn)題，如水分蒸發(fā)、污染和溫度波動(dòng)等，因?yàn)榈叵碌V井中基本是恒溫的。此外，廢棄礦井成本低，因?yàn)榛A(chǔ)設(shè)施都是現(xiàn)存的，而開(kāi)放水域水藻培養(yǎng)47%的成本都用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。礦井培育還消除了人們對(duì)水藻外逃造成物種侵略的擔(dān)心，因?yàn)樗逶诘V井中即使外逃，在黑暗中也只能存活很短的時(shí)間。不過(guò)，礦井水藻培育也需克服一些困難。首先，發(fā)光二極管比較昂貴，礦井水藻培育成本大部分用于安裝礦井內(nèi)的照明系統(tǒng)。其次，發(fā)光二極管運(yùn)轉(zhuǎn)需要電力，這樣就造成了能源生產(chǎn)能源的局面。不過(guò)電力來(lái)源非常多樣化，研究人員傾向用地?zé)岚l(fā)電[6]。
據(jù)報(bào)道，英國(guó)啟動(dòng)了一項(xiàng)藻類生物燃料公共資助項(xiàng)目，計(jì)劃耗資2600萬(wàn)英磅(時(shí)值約2.8億元人民幣)，于2020年前實(shí)現(xiàn)利用藻類生產(chǎn)運(yùn)輸燃料以代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石燃料[1]。
澳大利亞Linc能源公司從事開(kāi)發(fā)Chinchilla 地下煤氣化(UCG)，從合成氣制燃油的工作。該公司2007年11底宣布，與BioCleanCoal公司組建合資企業(yè)，開(kāi)發(fā)光合成工藝和將CO2轉(zhuǎn)化為氧及生物質(zhì)用的海藻生物反應(yīng)器。Linc能源公司在此后一年內(nèi)將投入100萬(wàn)澳元開(kāi)發(fā)原型裝置，用于在Chinochilla地區(qū)運(yùn)行[7]。
德國(guó)RWE電力公司和從事生物技術(shù)的BRAIN (生物技術(shù)研究與信息網(wǎng)絡(luò))公司于2010年1月7日宣布，正在聯(lián)合開(kāi)發(fā)將CO2轉(zhuǎn)化為微生物質(zhì)或生物分子的技術(shù)。兩家公司期望采用新的酶以生產(chǎn)微生物，并開(kāi)發(fā)新的合成途徑。來(lái)自燃煤電站富含CO2的煙氣將被轉(zhuǎn)化成微生物質(zhì)。目前正在開(kāi)發(fā)微生物質(zhì)可能的應(yīng)用領(lǐng)域，如用作建筑和隔熱材料，生產(chǎn)精細(xì)化學(xué)品和專用化學(xué)品。RWE電力公司位于德國(guó)Niederausm電廠所在地的煤創(chuàng)新中心已設(shè)置了實(shí)驗(yàn)裝置。CO2轉(zhuǎn)化將采用微生物工程途徑，用合成生物學(xué)方式實(shí)現(xiàn)[8]。
新西蘭Aquaflow生物經(jīng)濟(jì)公司針對(duì)微藻生產(chǎn)的生物柴油，進(jìn)行了世界首次概念驗(yàn)證。2006年12月，能源部長(zhǎng)David Parker以該公司生產(chǎn)的生物柴油為動(dòng)力，駕駛一部未經(jīng)改裝的標(biāo)準(zhǔn)豪華休旅車，沿著惠靈頓高速公路奔馳。
荷蘭AlgaeLink公司是一家擁有工業(yè)化藻類培養(yǎng)設(shè)備和藻油加工技術(shù)的跨國(guó)公司。該公司向全球銷售其反應(yīng)器，并提供相關(guān)技術(shù)支持。2008年4月該公司與荷蘭航空公司簽訂了利用藻油開(kāi)發(fā)航空燃油的協(xié)議。
俄羅斯“消息報(bào)”2009年5月27日?qǐng)?bào)道，俄科學(xué)院微生物研究所和有機(jī)化合物研究所研制出利用微生物將CO2轉(zhuǎn)化成無(wú)害醋酸的工藝。科研人員在研究中使用了被置于聚乙烯罐內(nèi)酒精凝膠中的類醋酸無(wú)氧微生物，這類微生物是CO2轉(zhuǎn)化成醋酸的生物催化劑。由于凝膠的保護(hù)作用，這種生物催化劑可保持多年不變。
從1990年到2000年，日本國(guó)際貿(mào)易和工業(yè)部曾資助了一項(xiàng)名為‘地球研究更新技術(shù)計(jì)劃’。該項(xiàng)目利用微藻來(lái)生物固定CO2，并著力開(kāi)發(fā)密閉式光生物反應(yīng)器技術(shù)。通過(guò)微藻吸收火力發(fā)電廠煙氣中的CO2，生產(chǎn)生物質(zhì)能塬。該項(xiàng)計(jì)劃共有大約20多家民營(yíng)公司和政府的研究機(jī)構(gòu)參與，10年間共投資約25億美元，篩選出多株耐受高CO2濃度、生長(zhǎng)速度快、能形成高細(xì)胞密度的藻種，建立起了光生物反應(yīng)器的技術(shù)平臺(tái)，并提出了微藻生物質(zhì)能源的技術(shù)方案。
日本海洋研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)透露，該機(jī)構(gòu)正在開(kāi)發(fā)一項(xiàng)將CO2轉(zhuǎn)化成甲烷的新技術(shù)，其關(guān)鍵是將CO2封存到海底煤層中，然后以細(xì)菌為媒介將其轉(zhuǎn)化為天然氣。這一嘗試尚屬首次。該機(jī)構(gòu)期望在未來(lái)3～
5年內(nèi)能夠完成。
CO2封存技術(shù)被認(rèn)為是減少溫室氣體排放的有效途徑。據(jù)日本“讀賣新聞”2010年1月4日?qǐng)?bào)道，日本海洋研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)計(jì)劃把青森縣下北半島附近的海底煤田作為CO2封存場(chǎng)所。在下北半島附近海底2000m～4000m深處，分布著海綿狀的‘褐煤層’。這是一種尚未發(fā)育成熟的煤炭層，容易吸收氣體和液
體。此前的研究顯示，該海域的‘褐煤層’中存在著將CO2轉(zhuǎn)化成甲烷的‘產(chǎn)甲烷菌’。甲烷是天然氣的最主要成分，在自然條件下，產(chǎn)甲烷菌在地層中將CO2轉(zhuǎn)化成甲烷需要1億至100億年時(shí)間。日本研究人員的目的是開(kāi)發(fā)出提高產(chǎn)甲烷菌轉(zhuǎn)化能力的技術(shù)，使轉(zhuǎn)化周期縮短至100年以內(nèi)。該機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，分布于日本東北地區(qū)到北海道的海底‘褐煤層’，能封存多達(dá)2000萬(wàn)t CO2，因此這里將來(lái)很可能成為巨大的天然氣資源庫(kù)[9]。
3國(guó)內(nèi)微生物固碳制造新物質(zhì)能源技術(shù)研究動(dòng)向
上海市科委支持的‘微藻制油’產(chǎn)業(yè)化小型示范項(xiàng)目，日前在上海交大生物質(zhì)能研究中心啟動(dòng)。項(xiàng)目旨在把藻類反應(yīng)器建在燃煤電廠旁，讓綠藻來(lái)‘吃掉’電廠排放的大量CO2，并‘吐’出高質(zhì)量的生物柴油。這項(xiàng)研究一旦取得成功，將為我國(guó)微藻制油的產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人繆曉玲表示，他們將和企業(yè)合作，利用培育綠藻的反應(yīng)器吸收電廠排放的CO2，通過(guò)一系列工藝手段，將溫室氣體最終轉(zhuǎn)化為生物柴油。“據(jù)估計(jì)，每產(chǎn)出1t干藻粉，就可減排1.8t CO2。”據(jù)悉，中石化、殼牌、埃克森美孚等知名企業(yè)都在研發(fā)微藻制油。但至今為止，全球還沒(méi)有產(chǎn)業(yè)化中試成功的案例。繆曉玲解釋說(shuō)，這是因?yàn)槲⒃逯朴偷某杀具€太高，阻礙了產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。在她看來(lái)，除了要降低各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的成本，當(dāng)務(wù)之急是加強(qiáng)對(duì)微藻的綜合利用。微藻除了能產(chǎn)油，還含有蛋白質(zhì)、糖類等多種成分，因此可利用它們制成高附加值產(chǎn)品，如食品添加劑、保健品等，從而提高微藻制油的‘產(chǎn)值’，減輕生產(chǎn)成本帶來(lái)的壓力[10]。
山東科技大學(xué)針對(duì)工業(yè)的集中排放，研制了一種塔式立體養(yǎng)殖反應(yīng)器，進(jìn)行了中試實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了微藻固碳，并利用副產(chǎn)微藻連續(xù)濕式生產(chǎn)生物原油。這項(xiàng)可大規(guī)模減排CO2的研究成果已通過(guò)鑒定，被認(rèn)為達(dá)到同類研究的國(guó)際先進(jìn)水平。目前，已進(jìn)入成果轉(zhuǎn)化階段，準(zhǔn)備在我國(guó)西南一帶建工業(yè)示范基地[11]。該技術(shù)的主體設(shè)備是一種適合微藻生長(zhǎng)的塔式立體培養(yǎng)器。含CO2的電廠煙氣從塔底分段供入、逐級(jí)溶碳脫氧、分段外排；而含藻種的養(yǎng)殖液體從塔頂逐級(jí)流到塔底，通過(guò)光合作用完成微藻的一個(gè)生長(zhǎng)周期；塔底微藻與養(yǎng)殖液分離，大部分藻液外排，分離微藻和養(yǎng)殖液，小部分藻液作為藻種，回收的養(yǎng)殖液在補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)后，用養(yǎng)殖液泵送回塔頂進(jìn)行再循環(huán)，通過(guò)微藻連續(xù)養(yǎng)殖和CO2減排偶聯(lián)，最終實(shí)現(xiàn)CO2的固定和資源化利用。這個(gè)過(guò)程采用分級(jí)進(jìn)氣的塔式反應(yīng)器和液體高停留時(shí)間塔板，還包括分離裝置、泵系統(tǒng)、高壓裂解裝置、加熱爐等設(shè)備，整個(gè)生產(chǎn)設(shè)施立體布置，占地面積小，有助于溶碳脫氧，且對(duì)藻類剪切作用較小，能耗不大；解決了溶氧積累問(wèn)題；易于放大和大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。此外，配套設(shè)備較簡(jiǎn)單，投資不高。微藻通過(guò)高壓水相無(wú)相變反應(yīng)制取生物油，制油成本低；微藻轉(zhuǎn)化所得的生物質(zhì)燃油熱值高，平均高達(dá)33MJ/kg，是木材和農(nóng)作物秸稈的1.5倍。這項(xiàng)技術(shù)工業(yè)化后，因很難找到足夠大空間實(shí)現(xiàn)工業(yè)化戶外養(yǎng)殖，就不可能利用太陽(yáng)光。因此，電就成了重要的能耗。為此，除了選用高效率LED光源系統(tǒng)，只能是提高微藻密度和生長(zhǎng)速度，相對(duì)降低能耗和相對(duì)提高減排效果。該課題組估算的微藻固碳產(chǎn)油經(jīng)濟(jì)效益如下：以60萬(wàn)kW燃煤發(fā)電廠為例，年排放CO2260萬(wàn)t。利用這項(xiàng)技術(shù)，設(shè)CO2捕集封存率為75%，微藻轉(zhuǎn)化率為30%，微藻液化油收率也是30%。估算CO2處理綜合成本小于200元/t。捕集CO2：260×75%=195萬(wàn)t；轉(zhuǎn)化微藻：195×30%=58.
5萬(wàn)t；生產(chǎn)微藻液化油：58.5×30%=17.55萬(wàn)t；產(chǎn)值:17.55×0.25=4.39億元（油價(jià)以2500元/t計(jì)）；生產(chǎn)成本：195×0.02=3.9億元；毛利：4.39-3.9=0.49億元。在封存和利用CO2的同時(shí)，還能產(chǎn)生97.5萬(wàn)t氧氣。另外把減排的CO2納入清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)，還能獲得額外收益。因而，經(jīng)濟(jì)效益非常看好。
課題組導(dǎo)師山東科技大學(xué)教授田原宇說(shuō)：“一項(xiàng)技術(shù)總是會(huì)有局限性。”目前，這項(xiàng)技術(shù)最大難點(diǎn)是選擇高固碳的減排藻種。藻種篩選有4＋1標(biāo)準(zhǔn)：快速生長(zhǎng)、適應(yīng)高濃度CO2與煙氣處理極端條件（高溫、酸性、CO2、NO x、SO2）、抗高堿性(最適pH8～13)、高密度培養(yǎng)、抗聚結(jié)。目前，課題組已與合作伙伴找到了能快速生長(zhǎng)的固碳藻種。這種藻的長(zhǎng)徑比
比較小，容易培養(yǎng)，經(jīng)20層塔板就能成熟；生長(zhǎng)快，得到的生物量大；利用后溫室氣體減排量大。這項(xiàng)技術(shù)另一個(gè)缺點(diǎn)是，微藻對(duì)環(huán)境有一個(gè)相對(duì)應(yīng)的適應(yīng)能力，在高濃度CO2環(huán)境中，反而不能正常生長(zhǎng)。如果把高濃度的CO2稀釋到可以利用的程度，經(jīng)濟(jì)上又不合算。田原宇希望未來(lái)能和其它科研院所、高校和企業(yè)聯(lián)合，共同推進(jìn)工業(yè)化微藻生物固碳技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用[12]。
在第十二屆全國(guó)催化學(xué)術(shù)會(huì)議(2005.8.1，北京)上，宣讀了辛嘉英等人完成的“甲烷氧化細(xì)菌生物轉(zhuǎn)化CO2制甲醇”的報(bào)告。該項(xiàng)研究工作主要內(nèi)容是，在甲烷單加氧酶和脫氫酶系的作用下，甲烷氧化細(xì)菌M.trichosporiun IMV3011可以把甲烷氧化成CO2，在反應(yīng)體系中充入一定比例的CO2后，檢測(cè)到甲醇的積累。混合氣中CO2/CH4/O2/N2的體積比為2/1/1/1時(shí)，甲醇積累達(dá)到最大。在超濾膜反應(yīng)器中進(jìn)行
了連續(xù)反應(yīng)，利用反應(yīng)混合氣產(chǎn)生的壓力將生成的甲醇從反應(yīng)體系中分離-連續(xù)反應(yīng)9次后，甲醇的積累沒(méi)有明顯下降。
張長(zhǎng)青提出一項(xiàng)涉及生物光合反應(yīng)堆CO2氣體轉(zhuǎn)化裝置的實(shí)用新型專利[13]。該生物光合反應(yīng)堆CO2氣體轉(zhuǎn)化裝置包括與CO2排放源相連接的CO2過(guò)濾脫硫裝置、CO2儲(chǔ)氣罐、CO2噴射擾流系統(tǒng)、雙循環(huán)生物反應(yīng)塔、光合光源控制系統(tǒng)、調(diào)溫循環(huán)系統(tǒng)、氧氣收集塔、微生物分離采收系統(tǒng)和若干管道組成。雙循環(huán)生物反應(yīng)塔是由內(nèi)罐和外罐構(gòu)成。在內(nèi)罐內(nèi)部安裝有CO2噴射擾流系統(tǒng)和二極管光合光源控制系統(tǒng)。在外罐底部安裝有調(diào)溫循環(huán)系統(tǒng)。氧氣收集塔通過(guò)管道、氣閥、氣體離心泵與內(nèi)罐底部相連接，并在內(nèi)罐下部通過(guò)管道連接有微生物分離采收系統(tǒng)。本方法采用的微生物是一種微藻。方法的優(yōu)點(diǎn)是利用生物光合反應(yīng)堆將廢棄的CO2完全轉(zhuǎn)化成氧氣，同時(shí)生產(chǎn)出的微生物懸浮液含有大量活性蛋白質(zhì)，可作綠色液體肥料和動(dòng)物飼料；可進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，大量處理CO2。
4技術(shù)優(yōu)勢(shì)
對(duì)國(guó)內(nèi)外微生物固碳制造新物質(zhì)能源技術(shù)研究狀況進(jìn)行分析總結(jié)，得出該技術(shù)路線具有以下顯著優(yōu)勢(shì)：
（1）微生物可以高效吸收CO2并將其轉(zhuǎn)化成有用的物質(zhì)能源，為解決當(dāng)今溫室效應(yīng)引發(fā)的環(huán)境危機(jī)提供一條有效途徑；
（2）直接利用太陽(yáng)能或化學(xué)能來(lái)進(jìn)行固碳的方式較其他方法節(jié)省了大量的能源；
（3）生成的物質(zhì)能源是綠色清潔的可再生資源，可以應(yīng)用到食品、能源工業(yè)等領(lǐng)域，避免了其他方法處理后帶來(lái)的“二次污染”。在當(dāng)今全球環(huán)境嚴(yán)重污染的情況下，開(kāi)發(fā)應(yīng)用它對(duì)保護(hù)環(huán)境和緩解全球面臨的能源危機(jī)都十分有利，在保障能源供給、穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面將發(fā)揮積極作用。
（4）若能因地制宜地進(jìn)行培養(yǎng)種植相關(guān)微生物，便能“就地取木成油”，而不需勘探、鉆井、采礦，也減少了長(zhǎng)途運(yùn)輸，成本低廉，易于普及推廣。
（5）微生物生長(zhǎng)迅速，能通過(guò)規(guī)模化種植確保產(chǎn)量。
（6）生成的物質(zhì)能源使用起來(lái)要比核電等能源安全得多，不會(huì)發(fā)生爆炸，泄漏等安全事故。
5存在問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)
目前該技術(shù)暫時(shí)還處于實(shí)驗(yàn)室階段，要將其工業(yè)化并大規(guī)模推廣還存在一定問(wèn)題：
（1）要選育并訓(xùn)化耐高濃度CO2且能高效吸收CO2的微生物，但目前相關(guān)的研究及取得的進(jìn)展非常稀少；
（2）需要提供適合微生物生長(zhǎng)的環(huán)境以求獲得較高的CO2吸收率，這就對(duì)設(shè)備的運(yùn)行提出了較高的要求，即對(duì)技術(shù)和成本提出了雙重的挑戰(zhàn)。
針對(duì)以上問(wèn)題，提出了如下今后研究方向：
（1）運(yùn)用基因工程及訓(xùn)化等手段培養(yǎng)并篩選出高效固碳微生物；
（2）運(yùn)用混合培養(yǎng)提高微生物固定CO2的能力；
（3）開(kāi)發(fā)和放大高效光生物反應(yīng)器，進(jìn)一步提高CO2的處理量。
6結(jié)語(yǔ)
微生物將廢棄的CO2轉(zhuǎn)化為有用的物質(zhì)能源從而為解決環(huán)境和能源雙重危機(jī)提供了一條有效途徑，是一條具有巨大開(kāi)發(fā)潛力和廣闊應(yīng)用前景的綠色資源可再生技術(shù)路線。盡管微生物固碳制造新物質(zhì)能源目前尚處于研發(fā)階段，但由于各國(guó)極為重視、大力投資和科研人員的不懈努力，大規(guī)模生產(chǎn)將指日可待。
